吉林大学王策教授等人综述先进电纺丝纳米材料用于高效电催化

　　为解决能源短缺、环境污染和气候变化等问题，发展清洁、可持续的能源，减少化石燃料的消耗是非常必要的。目前，许多高效的先进技术，如燃料电池、金属空气电池、电解水、小分子燃料转化等，已被用作高效能源转换装置。为了实现高性能的能量转换装置，需要制备高效的电催化剂，降低电化学反应电位，提高反应速率。
　　近日，吉林大学卢晓峰教授、王慧远教授和王策教授（共同通讯作者）在期刊《Inorganic Chemistry Frontiers》发表题目为＂Advanced electrospun nanomaterials for highly efficient electrocatalysis＂的综述，综述了近年来基于电纺丝纳米材料的电化学催化反应的研究进展，包括析氢反应(HER)、析氧反应(OER)、氧化还原反应(ORR)、二氧化碳还原反应(CO2RR)、氮还原反应(NRR)、小分子氧化反应。在简要介绍电纺丝技术和电纺丝纳米材料的基础上，重点探讨了电纺丝纳米基电催化剂的形态、组成、结构及其电催化性能之间的关系，并详细讨论了不同类型电纺丝材料的HER、OER、ORR、CO2RR、NRR和小分子氧化性能。最后，讨论了与电纺纳米结构材料制备相关的挑战和展望。
　　图1 电纺纳米材料在电催化中的应用示意图。
　　图2 不同设计结构的电纺纳米材料。
　　总结与展望
　　一维纳米材料具有独特的结构，在电化学储能和转化领域代表了一类高效、低成本的新型电催化剂。本文综述了近年来电纺纳米材料的合成及其电催化应用的研究进展。通过结构设计、成分调控等，制备了大量的电纺纳米材料，包括金属、金属氧化物、金属硫化物、金属氮化物、金属磷化物、金属碳化物等，讨论了它们的杂化产物用于高效HER、OER、ORR、CO2RR、NRR和小分子氧化反应，具有优异的活性和稳定性。尽管在调控电纺纳米材料的动力学和活性方面已经取得了很大的进展，但仍需要考虑几个方面的挑战和前景。
　　首先，静电纺丝技术广泛应用于制备大量用于电催化应用的一维纳米材料，如纳米管、多通道管、核鞘结构、管中纤维和Janus纳米带等具有调控成分的纳米结构。这些纳米结构不仅可以提供更多的活性位点，同时有助于改善电子和质量的传输，从而提高电催化活性。在制备纳米管、多通道管、芯鞘、管中纤维和管中管结构时，通常采用同轴静电纺丝。然而，这种具有独特形貌、内径和外径可控的结构在宏量化制备过程中仍然具有挑战性。
　　其次，以往报道的电催化用纳米催化剂大多为粉体形式。在制造电极的实际应用中，通常需要导电支撑或绝缘聚合物粘结剂，这通常会导致界面电阻增大和活性位点的阻碍。静电纺丝技术在制备由一维纳米材料组成的自支撑薄膜材料方面具有很大的优势。经后处理后的柔性自支撑功能碳、陶瓷及其复合膜有望成为高效的电催化材料。此外，由电纺一维纳米材料组成的膜状和三维结构的空间效应提供了更好的活性催化剂的分散性，提供了更多的活性位点，由于界面电阻较低而具有更高的导电性，与单个粉状电纺纳米材料相比，电解质具有良好的输运性能。因此，该结构材料具有较高的电催化性能。
　　第三，从经济角度，静电纺丝技术制备一维纳米材料需要大量的有机溶剂，不仅增加了生产成本，而且容易造成环境污染。熔融电纺丝技术与溶液电纺丝技术相比，为制备无溶剂电纺丝纳米材料提供了一条简便、绿色的途径。然而，由于系统粘度高，纤维的细化和生产效率是主要问题。
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